川东北空气泡沫钻井液技术及现场调控措施.pdf

第 3 1 卷 第 1 期 2 0 1 4年1月 钻井液与 完井液 DRI LL I NG F LUI D COMP LE T1 0N F L UI D V0 1 ． 31 No． 1 J a n．2 01 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 8 川东北空气泡沫钻井液技术及现场调控措施 张鹏， 蓝强， 郑成胜， 徐运波， 张敬辉 胜利石油管理局钻井工艺研究院油化所 ，山东东营 张鹏等 ． 川东北空气泡沫钻井液技术及现场调控措施 f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 2 8 3 1 ． 摘要根据川东北地层特点，室内研究了适合该地层的泡沫钻井液配方，该配方具有半衰期长、抑制性强、性能 稳定等优点，但在现场使用过程中，发现泡沫有段塞、泥岩水化严重等问题，对处理剂加量和加料频率对泡沫钻井液 的影响进行了研究，优化 了泡沫体系整体性能，页岩的水化膨胀和分散抑制能力明显提高，泡沫质量明显改善，半衰 期明显提高，携岩能力显著增强，在泥岩段钻进时的机械钻速提高了3 1 _ 8 ％，整个井段钻进过程中无任何复杂事故。 同时还给出了快速判断泡沫性能优劣的依据，为川东北地区后续空气泡沫钻井提供了一定的指导。 关键词 空气泡沫钻井液 ； 材料加量 ； 加料频率 ； 携岩效果 ； 水化泥岩层 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 4 0 1 - 0 0 2 8 0 4 川东北元坝地区钻井的上部地层砂泥岩互层频 繁、 硬度大、 研磨性强、 可钳f生 差， 为了提高机械转速， 一 般采用欠平衡钻井方式钻井。采用气体钻井常因地 层出水，导致气体钻井无法顺利实施 [ 1】 ， 少量出水转 为雾化钻井后， 气体排量远不能满足携岩要求，大量 出水则被迫提前转为常规钻井液钻进， 这会大大影响 钻进速度 [2 -4 ] o空气泡沫钻井流体携岩、携水能力强， 所需环空返速低， 气量消耗少， 在大尺寸井眼钻进中 优势较为突出[5 -7 ] o尽管室内做了深入的研究和评价， 但是在实际应用中， 却发现了不少问题， 文中对此进 行了阐述 。 1 配方研 究 空气泡沫钻井液常用于一开井段，其井眼较大， 对携岩要求较高 ； 上部岩性以浅灰绿色、褐灰色细砂 岩、中砂岩为主，间夹棕红色泥岩、 粉砂质泥岩， 下 部为紫红色泥岩、棕红色泥岩、紫红色泥质粉砂岩、 紫红色粉砂质泥岩、褐灰色粉砂岩不等厚互层 ，井壁 稳定性较差， 容易产生掉块。尽管一开地层出水量不 大，但是只要有出水现象发生， 就必须要将其带出， 否则会加剧井壁不稳定。因此， 需要加强体系的抑制 效果， 才能减少钻进过程中泥岩水化膨胀， 增强井壁 稳定性。针对以上地层特点， 选择了对应类型的发泡 剂、稳泡剂和井壁稳定剂材料， 并在室内进行了配方 研究 。 1 ． 1 发泡剂 通过室内研究 ，选择了离子型发泡剂 A O S 。离 子型发泡剂形成的双层吸附膜之间有排斥力，阻碍了 液膜变薄，使水不易排出，延长了泡沫的寿命，其泡 沫稳定性最好 ，半衰期要明显长于非离子型发泡剂 。 实验结果见图 1 。 4 o 0 3 5 0 3 o o 2 5 0 2 o o 1 5 0 l 0 0 5 O O O 2 0 4 0 6 o 8 O l 0 0 1 2 0 1 4 0 l 6 o 1 8 0 t ／ mi n 图 1 发泡剂加量室内优选 由图 1 可以看出， 各种加量下， 发泡量维持一段 时间后便开始消泡， 稳定性变差，相比较而言， 加量 为 0 ． 0 6 ％0 ． 1 ％ 时，可维 持 6 0 ～8 0 mi n ，此 加量 效 果最好。 基金项目 国家重大专项 “ 低渗油气田高效开发钻井技术”课题四 “ 低渗油气田储层保护技术” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 2 ． 0 0 4 。 第一作者简介 张鹏，硕士，毕业于中国石油大学 北京 石油工程专业，现在主要从事油田化学研究工作。地址 山东省 东营市北一路 8 2 7号钻井工艺研究院化学所 ； 邮政编码2 5 7 0 1 7；电话 1 5 2 5 4 6 1 2 7 5 2； E - m a i l a p e n g y s wf o x ma i l ． t o m。 蠹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1 卷 第 1 期 张鹏等川东北空气泡沫钻井液技术及现场调控措施 2 9 1 ． 2 稳泡剂 针对地层特点， 选用高分子聚合物聚丙烯酰胺作 为稳泡剂， 除了能够提高液相黏度、 降低液相流动性、 减缓泡沫排液速度外，其作为高分子聚合物还可在井 壁表面发生多点吸附、形成吸附膜 ， 具有封堵地层微 裂缝、减缓流体渗入地层、有利于稳定井壁、抑制黏 土分散膨胀的作用 。 在室内进行了稳泡剂加量与泡沫液稳定性关系研 究 ，实验结果见图 2 。由图 2 可知，当稳泡剂加量达 到 0 ． 1 5 ％0 ． 2 ％ 时 ，无 论是发泡量还是半 衰期 ，均 趋于平稳，因此，配方加量选择在此范围内。 稳泡剂 图 2 稳泡剂加量与泡沫性能的关系 1 ． 3 井壁稳定剂 针对空气泡沫钻井液密度低、抑制性差的特点， 研制 了一种能在井壁周 围形成憎水保护膜 、防止泥页 岩因吸水膨胀垮塌、同时又与泡沫配伍的井壁稳定 保护剂 Y J B ． 1 ，以提高泡沫钻井液的抑制性能，解决 井壁失稳 问题。室 内用现场岩心及不同加量的 YJ B ． 1 液进行了岩屑热滚回收率实验，结果见图 3 。从图 3 可知，Y J B ． 1 加量达到 0 ．4 ％ 以后，岩屑回收率能达 到现场要求，变化也趋于平缓，故确定其加量范围为 0 ． 4 ％～0 ． 6 ％。根据各处 理剂加量范围 ，按照配方 配 制泡沫钻井液，测定发泡量为 3 0 6 m L，半衰期为 l 4 min ，页岩回收率为 9 5 ．6 ％。 蔷 图3 Y J B ． 1 抑制性能评价实验 该配方可满足现场钻井需要，当处理剂材料一定 时， 可在现场根据实际情况对各处理剂加量进行调整， 以达到满意效果。 2 现场应用中存在的问题 在现场施工中发现，泡沫流体经常形成段塞，连 续性较差，特别是在井段较长、钻速较快、井眼尺寸 较大时， 会导致携岩效果变差，产生较多井底沉砂 ； 对于大量出水地层 ，携水效率较低 ，排砂管出口会出 现液滴流淌 。特别是在泥岩层钻进时 ，若不能及时将 地层水携带出地面，会导致地层不稳定。泥岩水化抑 制能力 的强弱对 泡沫钻井过程 中的井壁稳定尤 为重 要 。如在元陆 6 0 1 井钻进泥岩层时 ，由于对地层 、材 料加量认识不足，导致泡沫液性能变差，从井中返出 浑浊液，使得体系压力大幅度升高，摩阻增大，只能 依靠增加注气量方式继续钻进， 携岩效果差 ， 能耗高。 其次， 空气泡沫钻井属于欠平衡钻进， 在泥岩段， 容易造成井壁失稳、 坍塌掉块 ， 需要增强泡沫抑制性。 在非泥岩段 ， 泡沫体积膨胀非常快 ， 很快充满排砂池 ， 甚至溢出，很容易造成周边环境的污染 ； 同时，泡沫 液稳定性也不高，需要频繁维护，材料消耗量大，增 加了成本 。 3现场性能优化措施 在实际钻进中，结合现场使用泡沫性能、钻遇地 层等资料 ，逐渐调整了各种泡沫材料的加量及加料频 率 ，达到了较好的效果。 3 ． 1 泥岩段钻井液优化措施 1 改变处理剂 的加量。首先保持稳泡剂加量为 0 ． 1 5 ％ 和井壁稳定剂加量为 0 ． 4 ％不变 ，将发泡剂加 量从 0 ． 0 6 ％增至 0 ． 1 2 ％，分别测定泡沫液发泡量、半 衰期、抑制性 在排砂管出口处取样 1 ．0 L ，将泡沫 冲洗干净，砂样过孔径为 0 ．2 8 m i i l 的筛 ，收集筛余 砂样、烘干、称量，得到砂样筛余干重，对比分析 ， 以此获得发泡剂最佳加量，保持该加量及井壁稳定剂 加量为 0 ． 4 ％不变 ，改变稳泡剂加量 ，得到稳泡剂最 佳加量，同理，获得井壁稳定剂最佳加量，现场实验 结果见表 1 。由表 1 数据可知， 当发泡剂加量增加时， 发泡量和半衰期均有所增加 ， 当加量增加至 0 ． 1 2 ％时 ， 发泡量比初始配方增加了7 0 m L ，但半衰期 比0 ． 1 ％ 时有所减小，而整个调整对体系的抑制性影响不大， 因此确定现场最佳加量为 0 ． 1 ％。当稳泡剂加量增加 时 ， 发泡量逐渐减少 ， 表明稳泡剂能够压缩泡沫体积 ， 减小泡沫表面能，使之更加密实，泡沫更加稳定， 从 砂样筛余质量也可看出，稳泡剂也能提高体系的抑制 u f 姜躁懈卅 墓 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 钻井液与 完井液 2 0 1 4年 1月 性，这主要是利用大分子聚合物进入体系时大量吸水 的特点，提高泡沫干度，减少地层出水产生的影响， 当其加量从 0 ．2 0 ％增至 0 ． 2 5 ％时，各项指标变化趋 于平缓，考虑到使用成本及该加量已经能满足携岩需 要，确定其最佳加量为 O ．2 ％。对于井壁稳定剂，其 对发泡量和半衰期无较大影响，却可以有效提高体 系抑制性，根据实验结果，确定其最佳加量为 0 ．6 ％。 因此确定了现场钻进泥岩段时的泡沫钻井液配方为 0 ． 1 ％ 发泡剂 0 ． 2 ％稳泡剂 0 ． 6 ％YJ B ． 1 。 表 1 确定各处理剂现场最佳加量 2 改变加料频率。为了考察加料频率对泡沫性 能的影响，以 1 6 h 为周期，在各处理剂总加量相同 的条件下，分别研究以8 、6 、4 、2 h 为加料时间间 隔时，泡沫性能的变化 。实验分 4组进行 ，每个加料 间隔实验中，每 1 h 取样一次，测量发泡量、半衰期 及抑制性，最终得到平均结果，如表 2 所示。 表 2 不同加料频率对泡沫性能的影响 实验中发现，间隔越短，总的平均结果越好，这 表明，间隔越短， 材料的使用效率越高，性能发挥越 好。考虑到现场工作实际， 将每 8 h 加料一次调整为 4 h 加料一次，每次加量调整为原来的一半。 泡沫材料加量及加料频率的改变结果见表 3 。从 表 3中可看出，处理剂加量及加料频率调整后，发泡 体积仅增加了 1 5 m L ，半衰期却明显加长，表明泡沫 更密实，体系更稳定，砂样筛余质量增加了5 2 g ，抑 制性得到明显加强。 表 3 泥岩段泡沫材料调整结果 调整发泡稳泡井壁稳 加料 发 泡 ／ f ， 2 ／砂样筛余 情况剂 ／ ％ 剂 ／ ％ 定剂 ／ o ／ 0 频率 m L m i n 干重 ／ g 3 ． 2 其他层段钻井液优化措施 钻进其他非泥岩段时，对发泡量和抑制性要求相 对较低，故将发泡剂和井壁稳定剂加量及加料频率恢 复到初始状态， 只将稳泡剂加量保持为调整后的水平， 其目的是进一步发挥稳泡剂的作用，延长发泡剂使用 寿命，同时，更加密实和稳定的泡沫体系，可提高携 岩效果 ，除此而外，在满足携岩要求的前提下，可将 注气量进一步减少。实践证明，当注气量减少至 9 0 m ／ m i n 时，也能达到之前 1 1 0 m 。 ／ m i n时的携岩效果， 这表明优化措施可以间接降低压缩空气所用能耗。 4优化效果分析 优化效果可从体系优化性能前后的抑制性、携岩 效果 2 方面进行分析，抑制性在前文中已经进行了描 述，本节主要分析携岩效果。机械钻速和取样获得的 砂样总质量可以反映体系的携砂效果。机械钻速较高 时 ，表明钻屑被快速携带 出井筒 ，减少 了钻屑的重复 切削 ，井中沉砂相对较少 ，携岩效果好 ； 在相近机械 钻速时 ，取得砂样总质量越多 ，表 明携砂效率越高。 获取砂样总质量的过程为 在排砂管出口处取得返 出 物 1 ． 0 L，将泡沫冲洗干净 ，烘干 、称重。调整性能 前后泡沫钻井液的携岩效果见表 4 。 表 4 调整性能前后泡沫钻井液的携岩效果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 1 期 张鹏等川东北空气泡沫钻井液技术及现场调控措施 3 1 由表 4可知 ，钻进泥岩段时 ，调整性能后的机械 钻速提高了 3 1 ． 8 ％，获取的砂样总质量增加了 1 6 5 g ， 表明对体系的优化，不仅提高了泡沫液的抑制性，也 提高了携岩效果。而在非泥岩段钻进时， 尽管注气量 有所减小， 却没有影响携岩效果。除了定量数据之外， 也可从一些直观现象定性判断泡沫体系性能的优劣以 及是否满足现场钻井要求。 首先是泡沫的连续性，当泡沫段塞时间超过十几 秒至 1 min以上，可查看泵的上水是否正常，若一切 正常 ，则是泡沫材料含量较低所致 ，应补充材料 ； 如 果发现泡沫很轻 、易飘散 ，则表 明发泡剂加量过多 ， 应减少加量 ； 其次是排砂管出口处是否有液流现象， 若有 ， 表明地层出水较大， 此时泡沫体系颜色会加深， 泥浆罐中沉砂也会增多，同时，排砂管中无明显砂砾 碰撞声，应补充泡沫材料，特别是井壁稳定剂和稳泡 剂的加量； 若钻时较慢 如低于 5 ．0 m ／ h 则另作考虑； 若能听到连续 、 强烈的砂砾碰撞声 ， 表明携岩效果好 ， 维持该体系即可。 根据上述依据，对实际钻进过程中遇到的情况进 行了分析。 1 泥岩段。调整前 在一 口井的易水化泥岩段 钻进时，返出泡沫液变为浑浊状，排砂管中，砂粒碰 撞管壁声音较小，排砂管出口处出现液滴流淌，这些 均表明泡沫材料浓度偏低，井中存水没有及时携出， 大的泥岩块已经水化分散成细粒状 。调整后 发现这 种情况后 ，根据现场试验结果，迅速调整了泡沫体系 性能 ，在经过 2个循环周后 ，浑浊泡沫液逐渐发 白， 表明水化程度大大减轻 ； 同时， 砂粒碰撞管壁声音呈 逐渐变大，排砂管出口 处滴水现象消失。 2 非泥岩段。调整前 当对体系性能没有调整时， 排砂池中泡沫量很大， 几乎占满整个水池 ， 泡沫很虚， 容易消泡 ， 稳定性较差。调整后 当把稳泡剂加量调 整至 0 ． 2 ％后 ，由于泡沫得到有效压缩 ，排砂池泡沫 体积明显减少 ，这就避免 了泡沫液溢出污染周边环境 的风 险，也为后续钻井中减小排砂池容积和 占地面积 提供 了可能性 。 5结论 和 建议 1 ． 室内研究得到适应川东北地层得到泡沫钻井液 配方， 其具有半衰期长、 抑制性强、 性能稳定等优点。 2 ． 根据现场实验，得到泡沫钻井液各处理剂最佳 加量，通过对性能的优化，使得易水化泥岩段的机械 钻速提高了 3 1 ． 8 ％， 携岩效果和抑制性得到明显改善， 为川东北地区后续空气泡沫钻井提供了经验指导。 3 ． 将加料时间间隔从 8 h 缩短至4 h ，使得材料 使用更加充分，能进一步改善体系性能。 4 ． 从泡沫连续性、泡沫状态 、排砂管 出口液流等 方面，总结了现场快速定性判断泡沫体系性能优劣的 依据。除了从泡沫体系本身调整之外， 需要对充气量、 泵排量等工程参数进行考察，以期达到更佳效果。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨景利， 薛玉志， 张斌， 等 ． 分 1 井大井眼空气可循环泡沫 钻井液技术[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 7 ， 2 4 增刊 8 6 ． 8 8 ． Ya n g J i n g l i ，Xi e Yu z h i ，Zh a n g Bi n，e t a 1 ． Re c y c l i n g a i r f o a m mu d t e c h n o l o g y i n l a r g e h o l e we l l f e n - 1 [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p t i o n F l u i d ， 2 0 0 7 ，2 4 s o 8 6 8 8 ． [ 2 】 李公让 ，蓝强，薛玉志，等 ． 泡沫析液行为的分子模拟 研究 [ J ] ． 石油学报，2 0 0 9 ， 3 0 6 9 2 7 ． 9 3 1 ，9 3 6 ． L i Go n g r a n g ，L a n Q i a n g， Xu e Y u z h i ，e t a 1 ． Mo l e c u l e s i mu l a t i o n o f f o a m d r a i n a g e b e h a v i o r [ J ] ． A c t a Pe t r o l e i S i n i c a ，2 0 0 9 ，3 0 6 9 2 7 ． 9 3 1 ， 9 3 6 ． [ 3 ] 蓝强 ，张妍 ，冯希忠，等 ． 用显微观测法评价泡沫钻井 液的稳定性 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 4 1 - 3 ． L a n Qi a n g ，Z h a n g Ya n， F e n g Xi z h o n g ，e t a 1 ． S t a b i l i t y e va l ua t i o n o n fo a m d r i l l i n g flu i d wi t h m i c r o g r a p hi c me t h o d s [ J ] ．Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 0 ，2 7 4 1 - 3 ． [ 4 ] 王文刚，王萍，杨景利 ． 充气泡沫钻井液在元坝地区陆 相地层的应用 [ J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 4 4 6 ． 4 8 ． W a n g W e ng a n g，W a n g P i n g，Ya n g J i n gl i ． Ap pl i c a t i o n o f a e r a t e d d r i l l i n g fl u i d i n t e r r e s t r i a l f o r ma t i o n i n y u a n b a b l o c k [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 0 ， 3 8 4 4 6 ． 4 8 ． [ 5 ] 王俊涛，杨景利 ． 川东北地区泡沫钻井井壁稳定技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 I ，2 8 I 5 ． 7 ． W a n g J u n t a o，Ya n g J i n g l i ．S t u d y o n i mp r o v i n g b o r e h o l e s t a b i l i t y o f g a s f o a m d r i l l i n g i n n o r t h e a s t s i c h u a n [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p t i o n F l u i d ，2 0 1 1 ，2 8 1 5 - 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